(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号がそれぞれ入力される並列接続された複数の確率共振素子と、各確率共振素子から出力された信号を加算する加算器と、前記加算器により加算された信号を遅延させて出力する遅延器とを含む確率共振ユニットを複数備え、
前記複数の確率共振ユニットは、リング状に一方向結合されていることを特徴とする確率共振リング装置。
【請求項２】
請求項１記載の確率共振リング装置を複数備え、前記複数の確率共振リング装置は、双方向結合されていることを特徴とする確率共振リングネットワーク装置。
【請求項３】
請求項１記載の確率共振リング装置を含み、並列接続されたｍ（ｍは正の整数）個の第１の信号伝達部と、
請求項２記載の確率共振リングネットワーク装置を含み、前記第１の信号伝達部に対して並列接続されたｎ（ｎは正の整数）個の第２の信号伝達部と、
前記第１及び第２の信号伝達部の出力側に接続された請求項１記載の確率共振リング装置とを備えることを特徴とする学習記憶忘却装置。
【請求項４】
確率共振素子と、前記確率共振素子から出力された信号中の直流成分を遮断するフィルタと、請求項１記載の確率共振リング装置とが直列接続された信号伝達部を複数備え、
前記複数の信号伝達部は並列接続され、
各信号伝達部の確率共振素子は、各々、異なる閾値が設定され、
１の確率共振リング装置から出力される信号の強度が、他の確率共振リング装置から出力される信号の強度よりも高い場合、前記他の確率共振リング装置から出力される信号の強度が抑制されるように各確率共振リング装置を結合する抑制結合部を更に備えることを特徴とするアトラクター選択装置。
【請求項５】
前記信号伝達部を３個としたことを特徴とする請求項４記載のアトラクター選択装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、確率共振を利用した確率共振リング装置、確率共振リングネットワーク装置、学習記憶忘却装置、アトラクター選択装置、及び確率共振ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、確率共振を利用して、微弱信号を高感度に検出する研究が進められている（例えば非特許文献１）。ここで、確率共振とは、微弱な入力信号に適度な強度のノイズを付加して閾値処理すると、出力信号のＳ／Ｎ比が最大化される現象である。確率共振においては、出力信号のＳ／Ｎ比を最大化するために、ノイズの強度を最適な値に設定する必要があるが、最適値を見つけ出す作業は容易ではない。そこで、非特許文献２では、ノイズ信号の強度を最適化することなくＳ／Ｎ比を高めることを目的として、図１５に示すように、複数の確率共振素子１００１を並列接続し、各確率共振素子１００１からの信号を加算器１００２で加算する回路が開示されている。
【０００３】
一方、近年、確率共振を利用して、脳内の信号伝達経路をハードウェアにより実現する種々の試みがなされている。例えば、非特許文献３では、図１６に示すように、確率共振素子１００１に遅延器１００３を付加した４個の確率共振ユニット１００４を、リング状に一方向結合させた回路が開示されている。この回路によれば、確率共振素子１００１が遅延器１００３を介してリング状に接続されているため、回路内への信号入力を遮断しても、暫くの間、回路内で信号が流れ続け、短期記憶が可能となる。
【非特許文献１】Review of Modern Physics,70,223-287(1998) （レビューオブモダンフィジックス）
【非特許文献２】Nature,376,236(1995) （ネイチャー）
【非特許文献３】Phys.Rev.E,64,031101(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献２の回路は、信号入力が遮断されると同時に信号が消滅してしまうため、信号を記憶させることは不可能である。また、非特許文献３の回路は、確率共振素子１００１におけるノイズ信号の強度を最適化しなければ、確率共振素子１００１により信号が伝達される確率が低くなってしまい、信号を長期間記憶させることは困難である。
【０００５】
本発明の目的は、ノイズ信号の強度を最適化することなく信号を長期間記憶させることができる確率共振リング装置、確率共振リングネットワーク装置、学習記憶忘却装置、及びアトラクター選択装置、及びこれらの装置に用いられる確率共振ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の確率共振リング装置は、信号がそれぞれ入力される並列接続された複数の確率共振素子と、各確率共振素子から出力された信号を加算する加算器と、前記加算器により加算された信号を遅延させて出力する遅延器とを含む確率共振ユニットを複数備え、前記複数の確率共振ユニットは、リング状に一方向結合されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明による確率共振リング装置においては、複数の確率共振素子が並列接続されているため、確率共振素子のノイズ信号の強度を最適化しなくても、いずれかの確率共振素子によって信号が出力され、確率共振ユニットに入力された信号と相関を有する信号が次段に接続された確率共振ユニットに伝達される確率を高めることが可能となる。また、各確率共振ユニットは遅延器を備えているため、信号が一時的に記憶され、入力信号が遮断されても、直ぐに信号が消滅せず、入力信号と相関を有する信号の伝達が長期間持続され、この信号を装置内で長期間記憶することができる。更に、並列接続する確率共振素子の個数及びノイズ信号の強度をカスタマイズすることで確率共振ユニットにおける信号の伝達確率を調節することができる。
【０００８】
本発明による確率共振リングネットワーク装置は、請求項１記載の確率共振リング装置を複数備え、前記複数の確率共振リング装置は、双方向結合されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による確率共振リングネットワーク装置においては、複数の確率共振ユニットが双方向結合されているため、入力信号が遮断されても入力信号と相関のある信号の伝達をより長期間持続させ、この信号をより長期間記憶することができる。
【００１０】
また、本発明による学習記憶忘却装置は、請求項１記載の確率共振リング装置を含み、並列接続されたｍ（ｍは正の整数）個の第１の信号伝達部と、請求項２記載の確率共振リングネットワーク装置を含み、前記第１の信号伝達部に対して並列接続されたｎ（ｎは正の整数）個の第２の信号伝達部と、前記第１及び第２の信号伝達部の出力側に接続された請求項１記載の確率共振リング装置とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明による学習記憶忘却装置においては、信号の入力期間が長くなると、全ての確率共振リング装置において信号が伝達される確率が高くなるため、信号の入力を遮断してから長期間、出力側に接続された確率共振リング装置から信号が出力され、信号が記憶される。ここで、第２の信号伝達部を構成する確率共振リングネットワーク装置は、双方向結合された複数の確率共振リング装置によりされているため、第１の信号伝達部を構成する確率共振リング装置よりも信号の記憶期間が長い。したがって、出力側の確率共振リング装置は、入力される信号が時間の推移に伴って低くなるため、出力する信号が時間の経過に伴って緩やかに減衰する。そのため、ある期間継続して信号が入力されると、この信号を学習し、時間の経過に伴って徐々に忘却していくというように、あたかも人間の脳のような挙動を示すハードウェア装置を提供することができる。
【００１２】
本発明によるアトラクター選択装置は、確率共振素子と、前記確率共振素子から出力された信号中の直流成分を遮断するフィルタと、請求項１記載の確率共振リング装置とが直列接続された信号伝達部を複数備え、前記複数の信号伝達部は並列接続され、各信号伝達部の確率共振素子は、各々、異なる閾値が設定され、１の確率共振リング装置から出力される信号の強度が、他の確率共振リング装置から出力される信号の強度よりも高い場合、前記他の確率共振リング装置から出力される信号の強度が抑制されるように各確率共振リング装置を結合する抑制結合部を更に備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明によるアトラクター選択装置においては、各確率共振素子の閾値は各々異なる値に設定され、各確率共振素子から出力された信号はフィルタにより直流成分が除去されて各確率共振ユニットに出力される。そのため、ある確率共振素子から出力される信号のＳ／Ｎ比を高めるような強度の信号がアトラクター選択装置に入力されると、この確率共振素子が属する信号伝達部を構成する確率共振リング装置に高いレベルの信号が入力され、この確率共振リング装置により信号が長期間記憶され、この確率共振リング装置から高いレベルの信号が出力され、この確率共振リング装置が属する信号伝達部が選択されることになる。したがって、各信号伝達部に対して予め種々の状態を割り当てることにより、入力された信号の強度に応じて適した状態、すなわち、環境の変化に応じて安定した状態を選択するというようなアトラクター選択を実現するハードウェア装置を提供することができる。また、抑制結合部を備えているため、本アトラクター選択装置は、ｗｉｎｎｅｒ−ｔａｋｅｓ−ａｌｌ回路のように働き、より確実に１の状態を選択することができる。
【００１４】
また、前記信号伝達部を３個としてもよい。この場合、入力信号の強度に応じて３つの状態を選択することができる。
【００１５】
本発明による確率共振ユニットは、信号がそれぞれ入力される並列接続された複数の確率共振素子と、各確率共振素子から出力された信号を加算する加算器と、前記加算器により加算された信号を遅延させて出力する遅延器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、リング状に接続することで、ノイズ信号の強度を最適化することなく、信号を長期間記憶することができる確率共振ユニットを提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ノイズ信号の強度を最適化することなく入力された信号を長期間記憶することができる確率共振リング装置、確率共振リングネットワーク装置、学習記憶忘却装置、及びアトラクター選択装置、及びこれらの装置に用いられる確率共振ユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態による確率共振リング装置について、説明する。図１は、本実施の形態による確率共振リング装置を示した図である。図１に示すように確率共振リング装置１０は、リング状に一方向結合された４個の確率共振ユニット２０−１〜２０−４を備えている。なお、確率共振ユニットを特に区別しない場合は、単に確率共振ユニット２０という。また、図１では、確率共振ユニット２０の個数を４個としたが、これに限定されず、２個、３個、或いは５個以上としてもよい。
【００１９】
ここで、一方向結合とは、信号の流れる方向が一方向であることを意味する。図１の場合、確率共振ユニット２０−１の出力端子は、確率共振ユニット２０−２の入力端子に接続され、確率共振ユニット２０−１の入力端子は、確率共振ユニット２０−４の出力端子に接続されるというように、ある確率共振ユニット２０の出力端子が、隣接する一方の確率共振ユニット２０の入力端子に接続され、ある確率共振ユニット２０の入力端子が、隣接する他方の確率共振ユニットの出力端子に接続されることで、各確率共振ユニット２０がリング状に接続されている。したがって、確率共振リング装置１０内を流れる信号は、確率共振ユニット２０−１〜２０−４の順次伝播する。
【００２０】
図２は、確率共振ユニット２０の構成を示す図である。図２に示すように確率共振ユニット２０は、並列接続されたｍ（ｍは２以上の整数）個の確率共振素子２１−１〜２１−ｍ、加算器２２、及び遅延器２３を備えている。なお、確率共振素子を特に区別しない場合は、単に確率共振素子２１という。図３は、図２に示す確率共振素子２１の構成を示す図である。図３に示すように確率共振素子２１は、ノイズ源２１１、ミキサ２１２、及び判断部２１３を備えている。ノイズ源２１１は、ガウシアンホワイトノイズや熱雑音といった種々のノイズ信号を生成するファンクションジェネレータから構成されている。ここで、ノイズ信号の強度としては、入力信号のおよそのレベルと、閾値との関係から確率共振素子２１から出力される信号のＳ／Ｎ比がある程度のレベルを維持することができる値を採用することが好ましい。
【００２１】
ミキサ２１２は、ノイズ源２１１から出力されたノイズ信号と入力信号とを重畳する。判断部２１３は、コンパレータ及び増幅器を含む。コンパレータは、ミキサ２１２から出力された信号を所定の閾値と比較し、この信号が閾値以上の場合は、ハイレベルの信号を出力し、この信号が閾値未満の場合は、ローレベルの信号を出力する。本実施の形態では、コンパレータの閾値は、各確率共振素子２１において同一であるとする。増幅器は、コンパレータから出力された信号を所定の増幅率で増幅して加算器２２に出力する。本実施の形態では、この増幅器の増幅率のことを「結合定数」と称する。また、本実施の形態では、図３の上段に示す確率共振素子を図３の下段に示す記号で表すものとする。
【００２２】
図２に戻って、加算器２２は、確率共振素子２１−１〜２１−ｍから出力された各信号を加算して、遅延器２３に出力する。遅延器２３は、加算器から出力された信号を所定時間遅延させる。本実施の形態では、図２の上段に示す確率共振ユニット２０を図２の下段に示す記号で表すものとする。
【００２３】
このように、図２に示す確率共振ユニット２０においては、信号が入力されると、確率共振素子２１−１〜２１−ｍにより、ノイズ信号と入力信号とが重畳され、重畳された信号が閾値以上の場合は、ハイレベルの信号が各確率共振素子２１−１〜２１−ｍから出力される。そして、各確率共振素子２１−１〜２１−ｍから出力された信号は加算器２２により加算された後、遅延器２３により所定時間遅延され、隣接する確率共振ユニット２０へと出力される。
【００２４】
ここで、確率共振ユニット２０は、複数個の確率共振素子２１が並列に接続されており、どの確率共振素子２１がハイレベルの信号を出力するかは決定的には定まらず確率的に定まる。また、入力される信号のレベルが高くなるにつれて、ハイレベルの信号を出力する確率共振素子２１の個数も増大するため、確率共振ユニット２０は、入力された信号と相関を有する信号を出力することが可能となる。また、確率共振素子２１の個数を増減させることで、確率共振ユニット２０から出力される信号のレベルを確率的に調整することが可能となる。
【００２５】
そして、確率共振ユニット２０は、複数個の確率共振素子２１が並列に接続されているため、信号が入力された場合、いずれかの確率共振素子２１からハイレベルの信号を出力させることができ、図１６に示す従来の確率共振ユニット１００４のように確率共振素子１００１のノイズ信号の強度を最適化しなくとも、高い確率で入力信号と相関を有する信号を伝達することができる。
【００２６】
次に、図１に示す確率共振リング装置１０の動作について説明する。例えば、確率共振ユニット２０−１に信号が入力されると、この信号は、確率共振ユニット２０−１〜２０−４により確率的に伝達され、回路内を伝播する。そして、確率共振ユニット２０−１への信号の入力が遮断されると、遮断される直前に遅延器２３に入力された信号が遅延器２３により遅延されて次段の確率共振ユニット２０に伝達されるため、信号は直ちに消滅せず回路内を伝播する。一方、信号の入力が遮断されてから時間が経過するにつれて、ハイレベルの信号を出力する確率共振素子２１の個数が減少していくため、回路内を循環する信号はやがて消滅する。つまり、信号の入力が遮断されると、回路内を循環する信号はやがて消滅するが、信号の入力が遮断された時からある期間が経過するまでは、一定レベル以上の信号であって、入力された信号と相関を有する信号が回路内を循環する。そのため、確率共振リング装置１０は、入力された信号を長期間記憶することができる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態による確率共振リングネットワーク装置について説明する。図４は、確率共振リングネットワーク装置３０の構成を示した図である。図４に示すように確率共振リングネットワーク装置３０は、双方向結合された２個の確率共振リング装置１０−１，１０−２を備えている。確率共振リング装置１０−１，１０−２は、各々、図１に示す確率共振リング装置１０と同一構成であり、４個の確率共振ユニット２０−１〜２０−４を備えている。
【００２８】
確率共振リング装置１０−１における確率共振ユニット２０−２の出力端子は、確率共振リング装置１０−２における確率共振ユニット２０−１の入力端子に接続され、確率共振リング装置１０−２の確率共振ユニット２０−４の出力端子は、確率共振リング装置１０−１の確率共振ユニット２０−３の入力端子に接続される。これにより、確率共振リング装置１０−１を流れる信号は確率共振リング装置１０−２に確率的に伝達されると共に、確率共振リング装置１０−２を流れる信号は確率共振リング装置１０−１に確率的に伝達され、確率共振リング装置１０−１及び１０−２は双方向結合されることになる。
【００２９】
なお、図４に示す確率共振リングネットワーク装置３０は、２個の確率共振リング装置１０から構成されているが、これに限定されず、３個以上の確率共振リング装置１０で構成してもよい。また、各確率共振リング装置１０を構成する確率共振ユニット２０の個数も、各確率共振リング装置１０において異なる個数にしてもよい。
【００３０】
図５は、３個の確率共振リング装置１０−１〜１０−３から構成される確率共振リングネットワーク装置を示した図である。図５の場合、確率共振リング装置１０−１及び１０−２が双方向結合され、確率共振リング装置１０−２及び１０−３が双方向に縦列結合されている。これにより確率共振リング装置１０−１及び１０−２間で信号が確率的に伝達され、確率共振リング装置１０−２及び１０−３間で信号が確率的に伝達されることになる。
【００３１】
図６は、図１に示す確率共振リング装置１０に一定期間、信号を入力した後、この信号を遮断したときに確率共振リング装置１０を流れる信号の波形図を示している。この波形図は、回路シミュレータによる実験結果を示すものであり、（ａ）は入力信号を示し、（ｂ）〜（ｇ）は確率共振リング装置１０を構成する確率共振ユニット２０の結合定数εを、０．５、０．３９、０．３７、０．３５、０．３０、０．１としたときの回路内を流れる信号の波形図を示している。
【００３２】
なお、図６においては、入力信号として、ω／２π＝１６の正弦波であるｓｉｎ（ωｘ）が用いられ、この入力信号が０＜ｔ＜１２８の期間に入力されている。また、ノイズ源２１１から出力されるノイズ信号としては０．２の強度のものが用いられている。また、各確率共振ユニット２０における判断部２１３の閾値は０．２とされ、遅延器２３の遅延時間は６４とされている。
【００３３】
期間ＴＭ１において、確率共振リング装置１０に入力信号が印加される。ここで、入力信号としては、正弦波が採用されている。図６（ｂ）に示すようにε＝０．５の場合、実験期間中、確率共振リング装置１０内を循環する信号の減衰は見られなかった。そのため、確率共振リング装置１０において、長期間信号が記憶されていることが分かる。一方、図６（ｃ）〜（ｇ）に示すように、ε＝０．３９、０．３７．０．３５、０．３０、０．１と結合定数が小さくなるにつれて、確率共振リング装置１０内を循環する信号が早く減衰していることが観測されたが、入力信号を遮断しても、確率共振リング装置１０内において、所要時間信号が伝播していることが観測された。そのため、確率共振リング装置１０において、信号が短期間記憶されていることが分かる。これらの実験結果から、確率共振ユニット２０の結合定数を大きくすると信号の記憶期間を長くすることができ、結合定数を小さくすると信号の記憶期間を短くすることができることが分かる。
【００３４】
図７は、図４に示す確率共振リングネットワーク装置３０に図６と同様、期間ＴＭ１において信号を入力した後、この信号を遮断したときにおける、確率共振リングネットワーク装置３０を流れる信号の波形図を示している。この波形図は、回路シミュレータによる実験結果を示すものであり、（ａ）は入力信号を示し、（ｂ）〜（ｇ）は確率共振リングネットワーク装置３０を構成する確率共振ユニット２０の結合定数εを、各々、０．５、０．３９、０．３７、０．３５、０．３０、０．１としたときに回路内を流れる信号の波形図を示している。
【００３５】
図７（ｂ）〜（ｇ）と図６（ｂ）〜（ｇ）とを比較すると、図７（ｂ）〜（ｇ）の方が信号の減衰が遅いことが分かる。また、図７（ｂ）〜（ｅ）においては、実験期間中、確率共振リング装置１０内を循環する信号の減衰は見られず、図６（ｂ）の場合と同様、信号が長期間記憶されていることが分かる。これらのことから、双方向結合される確率共振リング装置１０の個数を増大させると、信号の記憶期間を長期化することができることが分かる。
【００３６】
図８は、確率共振リングネットワーク装置を構成する確率共振リング装置１０の数（Ｎ）を変化させたときに、装置内を流れる信号の波形図を示し、１段目は入力信号の波形図を示し、２〜５段目はそれぞれＮ＝１、１０、１００、１０００の場合の波形図を示している。なお、図８の波形図は回路シミュレータによる実験によって得られたものである。また、図８においては、入力信号として、ω／２π＝１６の正弦波であるｓｉｎ（ωｘ）が用いられ、この入力信号が０＜ｔ＜１２８の期間に入力されている。また、ノイズ源２１１から出力されるノイズ信号としては０．１の強度のものが用いられている。また、各確率共振ユニット２０の結合定数は０．１６とされ、判断部２１３の閾値は１とされ、遅延器２３の遅延時間は６４とされている。
【００３７】
図８に示すように、Ｎ＝１〜１００までは確率共振ユニット２０の数が増大するにつれて、信号の記憶期間は増大しているが、Ｎ＝１００とＮ＝１０００の場合とでは、信号の記憶期間に大差はないことが分かる。そのため、確率共振ユニット２０の個数を１００以上にしても、記憶期間の増大を見込めないことが分かる。
【００３８】
図９は、確率共振リングネットワーク装置を構成する確率共振ユニット２０の個数（ｎ）を変化させたときに確率共振リングネットワーク装置を流れる信号の波形図を示し、１段目は入力信号の波形図を示し、２〜８段目はそれぞれｎ＝２〜８の場合の波形図を示している。なお、図９において、入力信号やノイズ信号等の各種パラメータは図８と同一である。また、確率共振リングネットワーク装置を構成する確率共振リング装置１０の個数は１００とした。図９に示すように、確率共振ユニット２０の個数を増大させても、記憶期間の長期化が期待できないことが分かる。
【００３９】
次に、本発明の実施の形態による学習記憶忘却装置について説明する。図１０は、本実施の形態による学習記憶忘却装置の構成を示した図である。この学習記憶忘却装置は、並列接続された２個の信号伝達部４０−１と、１個の信号伝達部４０−２と、信号伝達部４０−１〜４０−２の出力側に接続された確率共振リング装置１０−５とを備えている。
【００４０】
信号伝達部４０−１は、確率共振素子２１−１と、確率共振素子２１−１の出力側に接続された確率共振リング装置１０−１とを備えている。確率共振素子２１−１は、入力信号を確率的に伝達することで、信号が安易に確率共振リング装置１０−１に出力されることを抑制する。ここで、確率共振リング装置１０−１は、出力端子が確率共振リング装置１０−５を構成するいずれか１つの確率共振ユニット２０の入力端子に接続されている。
【００４１】
確率共振リング装置１０−１は図１に示す確率共振リング装置１０と同一であり、確率共振素子２１−１から出力された信号を確率共振リング装置１０−５に確率的に伝達する。ここで、確率共振リング装置１０−１を構成するいずれか１つの確率共振ユニット２０の出力端子が、確率共振リング装置１０−５を構成するいずれか１つの確率共振ユニット２０の入力端子に接続されることで、確率共振リング装置１０−１と確率共振リング装置１０−５とは接続されている。
【００４２】
信号伝達部４０−２は、確率共振素子２１−２と、確率共振素子２１−２の出力側に接続された２個の確率共振リング装置１０−３，１０−４とを備えている。確率共振素子２１−２と確率共振リング装置１０−３とは、確率共振素子２１−１と確率共振リング装置１０−１と同様に接続されている。確率共振リング装置１０−３と確率共振リング装置１０−４とは、双方向結合され、図４に示す確率共振リングネットワーク装置３０を構成している。確率共振リング装置１０−４と確率共振リング装置１０−５とは、確率共振リング装置１０−１と確率共振リング装置１０−５と同様に接続されている。
【００４３】
このように構成された学習記憶忘却装置は以下のように動作する。信号の入力期間が短い場合、確率共振リング装置１０−１〜１０−４が信号を伝達する確率が低くなるため、確率共振リング装置１０−５による信号の記憶期間が短くなる。
【００４４】
一方、信号の入力期間が長くなると、確率共振リング装置１０−１〜１０−５の全てにおいて信号が伝達される確率が高くなる。そのため、信号の入力を遮断してから長期間、確率共振リング装置１０−５から信号が出力され、信号が長期間記憶されることになる。ここで、確率共振リング装置１０−３及び１０−４は双方向結合されているため、確率共振リング装置１０−３及び１０−４による信号の記憶期間（発火寿命）は、確率共振リング装置１０−１及び１０−２による信号の記憶期間より長い。
【００４５】
そのため、信号の入力が遮断された後、確率共振リング装置１０−１及び１０−２が信号を忘却しても、確率共振リング装置１０−３及び１０−４は信号を記憶しているため、確率共振リング装置１０−５から信号が出力される。そのため、確率共振リング装置１０−５から出力される信号は緩やかに減少することになる。
【００４６】
図１１は、図１０に示す学習記憶忘却装置における信号の忘却過程を示す波形図である。この波形図は、回路シミュレータによる実験結果を示すものである。図１１（ａ）は、入力信号と各確率共振リング装置１０−１〜１０−５との波形図を示し、１段目は入力信号の波形図を示し、２〜６段目は、それぞれ、確率共振リング装置１０−２〜１０−５から出力される信号の波形図を示している。
【００４７】
また、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示す期間ＴＭ１を拡大した波形図であり、１段目は入力信号の波形図を示し、２段目は確率共振リング装置１０−５から出力される信号の波形図を示している。なお、図１１（ｂ）において下段の波形図は、上段の波形図に対して、縦軸のスケールが２倍に拡大されている。
【００４８】
また、図１１（ｃ）は、（ａ）に示す期間ＴＭ２を図１１（ｂ）と同様に拡大した波形図である。図１１（ｂ）の上段に示す期間ＴＭ２１において、入力信号として、複数個のパルス信号が入力されている。これにより、図１１（ａ）の２〜６段目に示すように、確率共振リング装置１０−１〜１０−５によって信号が記憶される。なお、図１１（ａ）の２〜６段目の波形図に示すように、確率共振リング装置１０−３及び１０−４は双方向結合され、確率共振リングネットワーク装置とされているため、確率共振リング装置１０−１，１０−２，１０−５よりも、信号が減衰する時間が長く、記憶期間が長くなっていることが分かる。
【００４９】
そして、入力信号が遮断される遮断期間ＴＭ２２において、図１１（ｂ）の下段に示すように、時間が経過するにつれて、確率共振リング装置１０−５から出力される信号のレベルが減衰していることが分かる。遮断期間ＴＭ２２が経過した時刻Ｔ１において、入力信号として、１パルスのパルス信号が入力されると、時刻Ｔ２において、このパルス信号に応答するように、高いレベルの信号が確率共振リング装置１０−５から出力されていることが分かる。これは、期間ＴＭ２１において複数のパルス信号が入力されることで、確率共振リング装置１０−１〜１０−５がこのパルス信号を記憶し、このパルス信号を記憶した状態において、別のパルス信号が入力されたためである。
【００５０】
一方、図１１（ｃ）の上段に示すように期間ＴＭ３１において、入力信号として、期間ＴＭ２１と同様に複数個のパルス信号が入力され、遮断期間ＴＭ２２よりも長い遮断期間ＴＭ３２が経過した時刻Ｔ３において、１パルスのパルス信号が入力される。そうすると、図１１（ｃ）の下段に示すように時刻Ｔ４において、このパルス信号に応答するように確率共振リング装置１０−５から信号が出力されるが、この信号のレベルは図１１（ｂ）の場合に比べてかなり低くなっている。これは、遮断期間Ｔ３２が遮断期間Ｔ２２に比べて長く、確率共振リング装置１０−１〜１０−５が信号を忘却した状態で、別のパルス信号が入力されたためである。
【００５１】
このように、本学習記憶忘却装置によれば、一定期間継続して複数パルス分のパルス信号が入力されると、このパルス信号を学習し、このパルス信号を時間の経過に伴って徐々に忘却していくというように、あたかも人間の脳のような挙動を示すハードウェア装置を提供することができる。
【００５２】
なお、図１０に示す学習記憶忘却装置においては、信号伝達部４０−１の個数を２個、信号伝達部４０−２の個数を１個としたが、これに限定されず、信号伝達部４０−１の個数を１個又は３個以上とし、信号伝達部４０−２の個数を２個以上としてもよい。
【００５３】
また、信号伝達部４０−２を双方向結合された２個の確率共振リング装置１０からなる確率共振リングネットワーク装置で構成したが、これに限定されず、双方向結合された３個以上の確率共振リング装置１０を備える確率共振リングネットワーク装置で構成してもよい。
【００５４】
次に、本発明の実施の形態によるアトラクター選択装置について説明する。図１２は、本発明の実施の形態によるアトラクター選択装置の構成を示す図である。本アトラクター選択装置は、３個の信号伝達部５０−１〜５０−３を備えている。なお、信号伝達部５０−１〜５−３を特に区別しない場合は、単に信号伝達部５０とする。また、信号伝達部５０の個数は３個に限定されず、２個又は４個以上にしてもよい。
【００５５】
信号伝達部５０−１は、確率共振素子２１−１、フィルタ６０−１、確率共振リング装置１０−１、及び出力端子ＴＴ１−１を備え、信号伝達部５０−２は、確率共振素子２１−２、フィルタ６０−２、確率共振リング装置１０−２、及び出力端子ＴＴ１−２を備え、信号伝達部５０−３は、確率共振素子２１−３、フィルタ６０−３、確率共振リング装置１０−３、及び出力端子ＴＴ１−３を備える。
【００５６】
なお、フィルタ６０−１〜６０−３、出力端子ＴＴ１−１〜ＴＴ１−３を特に区別しない場合は、単にフィルタ６０とし、出力端子ＴＴ１とする。確率共振素子２１−１は、入力信号を確率的に伝達することで、確率共振リング装置１０−１に安易に信号が伝達されることを抑制する。フィルタ６０−１は、確率共振素子２１−１から出力された信号のＤＣ成分をカットすることで、Ｓ／Ｎ比の高い成分を通過させ、確率共振リング装置１０−１に出力する。なお、フィルタ６０−１はフィルタ６０−２，６０−３と同一であり、確率共振リング装置１０−１は確率共振リング装置１０−２，１０−３と同一である。出力端子ＴＴ１−１〜ＴＴ１−３は、それぞれ、確率共振リング装置１０−１〜１０−３と接続され、確率共振リング装置１０−１〜１０−３を流れる信号を出力する。
【００５７】
確率共振素子２１−１〜２１−３は、この順で閾値が高く設定されている。すなわち、確率共振素子２１−１の閾値は最小であり、確率共振素子２１−３は最大であり、確率共振素子２１−２の閾値は、確率共振素子２１−１及び２１−３の閾値の中間の値に設定されている。
【００５８】
従って、確率共振素子２１−１〜２１−３から出力される信号のＳ／Ｎ比と強度との関係は、ノイズ信号の強度を一定とすると、図１３のようになる。図１３は、確率共振素子２１−１〜２１−３から出力される信号のＳ／Ｎ比と強度との関係を示したグラフである。このグラフにおいて曲線Ｃ１〜Ｃ３は、それぞれ、確率共振素子２１−１〜２１−３に対応している。
【００５９】
確率共振素子２１−１は閾値が最も小さいため、曲線Ｃ１に示すように、弱い強度の信号に対してＳ／Ｎ比が高くなっていることが分かる。また、確率共振素子２１−３は、閾値が最も大きいため、曲線Ｃ３に示すように、強い強度の信号に対してＳ／Ｎ比が高くなっていることが分かる。また、確率共振素子２１−２は閾値が中間の値であるため、曲線Ｃ２に示すように、中間の強度の信号に対してＳ／Ｎ比が高くなっていることが分かる。
【００６０】
従って、入力信号として確率共振素子２１−１から出力される信号のＳ／Ｎ比が他の確率共振素子２１−２，２１−３から出力される信号のＳ／Ｎ比に比べて高くなるような弱い強度の信号が入力されると、確率共振素子２１−１からは、ハイレベル、ローレベルを「１」、「０」で符号化すると、「１」、「０」の信号が繰り返し出力され、他の確率共振素子２１−２，２１−３からは主に「０」の信号が出力される。そのため、確率共振リング装置１０−１〜１０−３に入力される信号のうち、確率共振リング装置１０−１に入力される信号の強度が最も高くなる。
【００６１】
また、入力信号として確率共振素子２１−２から出力される信号のＳ／Ｎ比が他の確率共振素子２１−１，２１−３に比べて高くなるような中間の強度の信号が入力されると、確率共振素子２１−２からは「１」、「０」の信号が繰り返し出力され、確率共振素子２１−１からは主に「１」の信号が出力され、確率共振素子２１−３からは主に「０」の信号が出力される。そのため、確率共振素子２１−１から出力された信号はフィルタ６０−１によりＤＣ成分がカットされ、確率共振リング装置１０−１〜１０−３に入力される信号のうち、確率共振リング装置１０−２に入力される信号の強度が最も高くなる。
【００６２】
また、入力信号として確率共振素子２１−３から出力される信号のＳ／Ｎ比が他の確率共振素子２１−１，２１−２に比べて高くなるような強い強度の信号が入力されると、確率共振素子２１−３からは「１」、「０」の信号が繰り返し出力され、確率共振素子２１−１，２１−２からは主に「１」の信号が出力される。そのため、確率共振素子２１−１，２１−２から出力された信号はフィルタ６０−１，６０−２によりＤＣ成分がカットされ、確率共振リング装置１０−１〜１０−３に入力される信号のうち、確率共振リング装置１０−３に入力される信号の強度が最も高くなる。
【００６３】
図１２に戻り確率共振リング装置１０−１〜１０−３は、それぞれ、抑制結合部１０１−１〜１０１−３を備えている。なお、抑制結合部１０１−１〜１０１−３を特に区別しない場合は、単に抑制結合部１０１とする。抑制結合部１０１−１は、自己が属する信号伝達部５０−１とは異なる信号伝達部５０−２，５０−３の出力端子ＴＴ１−２，Ｔ１−３と、確率共振リング装置１０−１の確率共振ユニット２０−３との間に接続されている。なお、抑制結合部１０１−２，１０１−３の接続関係は、抑制結合部１０１−１の接続関係と同様であるため説明を省略する。
【００６４】
図１４は抑制結合部１０１−１の構成を示す図である。抑制結合部１０１−１は、増幅器から構成され、入力側が出力端子ＴＴ１−２，ＴＴ１−３に接続され、出力側が確率共振ユニット２０−３の確率共振素子２１−１〜２１−ｍの各判断部２１３に接続されている。
【００６５】
ここで、判断部２１３は、抑制結合部１０１−１から出力された信号のレベルが増大するにつれて閾値を増加させるコンパレータを備えている。そのため、抑制結合部１０１−１は、入力される信号のレベルに応じて、確率共振ユニット２０−３を構成する各確率共振素子２１−１〜２１〜ｍの閾値を調節することができる。なお、抑制結合部１０１−２，１０１−３は、抑制結合部１０１−１と同一構成であるため、説明を省略する。また、抑制結合部１０１−１は、確率共振ユニット２０−３のみに限定されず、確率共振ユニット２０−１〜２０−４の少なくともいずれか１つの確率共振ユニット２０に接続されていもよい。
【００６６】
このように構成されたアトラクター選択装置は以下のように動作する。以下の説明では、入力信号として、確率共振素子２１−２のＳ／Ｎ比が最も高くなるような中間の強度の信号が入力されたものとする。中間の強度の信号が入力されると、確率共振素子２１−１からは主に「１」の信号が出力され、確率共振素子２１−２からは「１」、「０」の信号が繰り返し出力され、確率共振素子２１−３からは「０」の信号が出力される。これらの信号は、フィルタ６０−１〜６０−３によりＤＣ成分がカットされるため、確率共振リング装置１０−２に入力される信号の強度が最も高くなる。従って、確率共振リング装置１０−２が他の確率共振リング装置１０−１，１０−３よりも長期間信号を記憶し、出力端子ＴＴ１−２から出力される信号のレベルが最も高くなる。
【００６７】
更に、抑制結合部１０１−１〜１０１−３の働きにより、確率共振リング装置１０−２の確率共振ユニット２０−３の閾値が他の確率共振リング装置１０−１，１０−３の確率共振ユニット２０−３の閾値よりも低くなり、確率共振リング装置１０−２から出力される信号は増大され、確率共振リング装置１０−１，１０−３から出力される信号は抑制され、出力端子ＴＴ１−２のみが選択されることになる。
【００６８】
つまり、本アトラクター選択装置は、最大の信号を出力する出力端子ＴＴ１−２のみが選択され、他の出力端子ＴＴ１−１，ＴＴ１−３は選択されないｗｉｎｎｅｒ−ｔａｋｅｓ−ａｌｌ回路のように働く。
【００６９】
したがって、弱い強度の信号から中間の強度の信号に入力信号が変化する場合と、中間の強度の信号から小の強度の信号に変化する場合とで、出力端子ＴＴ１−１，Ｔ１−２のいずれが選択されるかを定める閾値が異なるというように、本アトラクター選択装置はヒステリシスを有することになる。
【００７０】
なお、入力信号として、確率共振素子２１−１又は２１−３のＳ／Ｎ比が高くなるような弱い又は強い強度の信号が入力された場合も、上記説明と同様にして、出力端子ＴＴ１−１又はＴＴ１−３から出力される信号のレベルが高くなり、出力端子ＴＴ１−１又はＴＴ１−３が選択されることになる。
【００７１】
これにより、信号伝達部５０−１〜５０−３に対してある状態Ａ〜Ｃを割り当てることにより、入力信号の強度に応じて安定した状態を選択、すなわち、環境の変化に応じて安定した状態を選択するアトラクター選択を実現するハードウェア装置を提供することができる。
【００７２】
なお、本発明は、変動環境下でロボットを制御する次世代制御システムや情報処理システム分野において柔軟な処理、或いはあいまいな処理を行うコプロセッサを実現するうえで有用となる。
【００７３】
また、本発明は、常温での熱ノイズによって駆動させることが可能であるため、適切な材料選択によって閾値判断処理に要するエネルギーを小さくすることが可能となり、従来全く存在し得なかった超低消費電力で動作する脳型情報処理装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本実施の形態による確率共振リング装置を示した図である。
【図２】図１に示す確率共振ユニットの構成を示す図である。
【図３】図２に示す確率共振素子の構成を示す図である。
【図４】図１に示す確率共振リング装置が３個双方向結合された確率共振リングネットワーク装置の構成を示した図である。
【図５】３個の確率共振リング装置から構成される確率共振リングネットワーク装置を示した図である。
【図６】図１に示す確率共振リング装置に一定期間信号を入力した後、この信号を遮断したときに確率共振リング装置を流れる信号の波形図を示している。
【図７】図４に示す確率共振リング装置に一定期間信号を入力した後、この信号を遮断したときに確率共振リング装置を流れる信号の波形図を示している。
【図８】双方向結合された確率共振リング装置の数を変化させたときの、確率共振リング装置を流れる信号の波形図を示す。
【図９】確率共振リング装置を構成する確率共振ユニットの個数を変化させたときに確率共振リング装置を流れる信号の波形図を示す。
【図１０】本実施の形態による学習記憶忘却装置の構成を示した図である。
【図１１】図１０に示す学習記憶忘却装置における信号の忘却過程を示す波形図である。
【図１２】本発明の実施の形態によるアトラクター選択装置の構成を示す図である。
【図１３】各確率共振素子から出力される信号のＳ／Ｎ比と強度との関係を示したグラフである。
【図１４】抑制結合部の構成を示す図である。
【図１５】従来の回路を示した図である。
【図１６】従来の回路を示した図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０  １０−１〜１０−４  確率共振リング装置
２０  ２０−１〜２０−４  確率共振ユニット
２１  ２１−１〜２１−ｍ  確率共振素子
２２  加算器
２３  遅延器
３０  確率共振リングネットワーク装置
４０  ４０−１〜４０−２  信号伝達部
５０  ５０−１  ５０−３  信号伝達部
６０  ６０−１〜６０−３  フィルタ
１０１  抑制結合部
２１１  ノイズ源
２１２  ミキサ
２１３  判断部
【図１】
0005154166.tif 000002
【図２】
0005154166.tif 000003
【図３】
0005154166.tif 000004
【図４】
0005154166.tif 000005
【図５】
0005154166.tif 000006
【図６】
0005154166.tif 000007
【図７】
0005154166.tif 000008
【図８】
0005154166.tif 000009
【図９】
0005154166.tif 000010
【図１０】
0005154166.tif 000011
【図１２】
0005154166.tif 000012
【図１３】
0005154166.tif 000013
【図１４】
0005154166.tif 000014
【図１５】
0005154166.tif 000015
【図１６】
0005154166.tif 000016
【図１１】
0005154166.tif 000017